CFRP試片耐磨損性能研究

張松 于德潤 王笛 吳偉萍

摘 要? 本文通過對CFRP試片端部加強片采用兩種不同的滲氮工藝方法進行了改性，分別對滲氮試片和滲氮后氧化試片進行了耐磨損性試驗和分析，研究了滲氮工藝在提高CFRP試片耐磨損性能方面的作用。研究結果表明，經過滲氮處理和滲氮后氧化處理，試片均能獲得由外部化合物層和內部擴散層構成的表面改性層，摩擦系數隨時間的增加而變大，當到達基體部位后，進入相對穩定的階段。在磨損的中期，經過滲氮后氧化處理的試片的過渡層硬度梯度高于經過滲氮處理的試片的硬度梯度。

關鍵詞? 滲氮;表面改性;摩擦磨損

ABSTRACT? ?In this paper， two different nitriding processes are used to modify the CFRP test piece end reinforcement piece， and the wear resistance test and analysis of the nitriding test piece and the nitriding oxidation test piece are carried out respectively， and the nitriding test piece is studied. The role of technology in improving the wear resistance of CFRP specimens. The research results show that after nitriding treatment and oxidation treatment after nitriding， the test piece can obtain a surface modification layer composed of an external compound layer and an internal diffusion layer， and the friction coefficient increases with time. When it reaches the substrate， into a relatively stable stage. In the middle stage of wear， the hardness gradient of the transition layer of the specimen treated with nitriding post-oxidation treatment is higher than that of the nitriding treated specimen.

KEYWORDS? ?nitriding; surface modification; friction and wear

1 引言

近年來，纖維復合材料產品以其輕質高強的性能特點和結構可設計的優勢在各行各業的應用越來越廣泛，對纖維復合材料產品力學性能的驗證試驗也越來越多。同傳統材料力學性能驗證試驗相比，CFRP產品的力學性能驗證試片的端部邊界效應明顯，為了保證試驗過程中試片端部的靜態性，保證試片的穩定夾持、加緊和防滑，需要對試片端部進行加強片防護，保證加強片具有一定的的耐磨損性能。熱處理工藝可以對表面進行改性處理，提高產品的性能和功能，滿足產品在高壓、高速、高摩擦、高磨損、高真空等條件下可靠而持久的使用 [1-4]。 滲氮技術作為表面改性的一種方法用來改變材料表面的微觀結構，提高材料的顯微硬度[5，6]，后氧化處理可以進一步改善滲氮部件的性能，顯著提高產品的耐磨損性能及其耐腐蝕性能[7，8]。輝光放電等離子體工藝可以通過調整處理氣氛和處理工藝參數在同一個工藝程序中實現滲氮處理和后氧化處理，具有顯著的優越性[9-11]。本文通過研究不同材料經過滲氮處理和滲氮后氧化處理的耐磨損性能，分析滲氮后氧化處理在提高滲氮產品性能方面的作用，改善了CFRP試片在性能驗證試驗過程中邊界效應對試驗結果的影響，提高了復合材料試片性能驗證結果的準確性和穩定性。

2 實驗部分

2.1 試驗材料

本實驗選用35CrMoV和38CrMoAl兩種基體材料，材料的成分如表1所示。對每種材料分別進行滲氮處理和滲氮后氧化處理。

2.2 試件制備

把經過兩種不同工藝處理的35CrMoV和38CrMoAl試件切割成一定大小、形狀的試樣，對每個試樣進行研磨、拋光、腐蝕。試樣分別為：（1）35CrMoV-滲氮后氧化；（2）35CrMoV-滲氮處理；（3）38CrMoAl-滲氮后氧化；（4）38CrMoAl-滲氮處理。

2.3 性能測試

（1）利用MEF－4A型金相顯微鏡觀察每個樣品的顯微組織；利用JSM-5600LV型掃描電鏡 （Scanning electron microscope，SEM）觀察樣品組織，進行形貌分析。

（2）摩擦磨損性能的測試所選用的實驗設備是UMT-2型多功能測試系統，載荷為20N，加載時間20s，磨痕長度為3mm，滑移速度為1mm/s，摩擦時間為20min，配副磨球為GCr15，硬度是58～62HRC，直徑為5mm。采用JSM-5600LV型掃描電鏡 （Scanning electron microscope，SEM） 觀察試樣的磨痕形貌，測量磨痕寬度，并計算試樣的磨損體積。以摩擦因數和磨損體積為參照，對試樣的耐磨損性能進行綜合評價。

3實驗結果與分析

兩物體間摩擦的結果會造成材料或構件的損壞或失效，引起機械發熱，使機器精度降低，縮短使用壽命，同時還會阻礙機械運動，消耗能量，使機械效率降低。試樣的摩擦系數曲線如圖1所示。

對于35CrMoV材料，在初始階段，由于處理過程中形成的化合物層耐磨性好，兩個試樣在摩擦初始階段摩擦系數都很低；在摩擦中期時，雖然經過滲氮處理和滲氮后氧化處理的試片摩擦系數都增大，但滲氮后氧化處理試片的摩擦系數要比滲氮處理的試片增大的緩慢，且外部的化合物層已經被磨去，發生摩擦的是過渡層。說明經過滲氮后氧化處理的試片的過渡層，其硬度梯度要高于只經過滲氮處理的試片。摩擦的最后階段，兩曲線進入穩定階段，此時，摩擦已經到達基體部位，摩擦系數大致相同。

對于38CrMoAl材料，兩個試片的摩擦曲線的形態也基本相同。和35CrMoV兩個試樣的曲線不同，在摩擦中期，經過滲氮處理試片的曲線要比經過滲氮后氧化處理試片的曲線增大的緩慢，這與經過滲氮后氧化處理后，硬化層深度略微變淺有關。

由摩擦試驗結果可知，無論是滲氮處理還是滲氮后氧化處理，摩擦系數隨時間的變化規律均是逐漸變大，而后趨于穩定。在摩擦開始階段，摩擦系數較低，對偶件GCr15鋼球與化合物層組成了一對摩擦副，試片處于微磨損階段，這是由于表面的氧化層或滲氮層比較致密，耐磨性好，所以在初始磨合階段摩擦系數比較低。在磨損的中期，試樣表面的摩擦系數急劇變化迅速增大，表面滲層被磨去，到達硬度較低的過渡層，摩擦系數增大。最后，各試樣的摩擦系數進入相對穩定的階段，摩擦到達基體部位，各試樣的摩擦系數區別不是很大。

35CrMoV試樣的磨損形貌如圖2所示，磨損面凹凸不平，起伏較大。試樣的磨損面上既有因粘著磨損而導致的結疤，也有因磨粒磨損而導致的犁溝。這說明試樣與對偶件GCr15鋼球之間的磨損機制主要為粘著磨損和磨粒磨損。

38CrMoAl試樣的磨損形貌如圖3所示，磨損面較為平整，僅存在一些輕微的結疤。說明經過等滲氮處理和滲氮后氧化處理的試樣與對偶件GCr15之間的磨損機制主要為粘著磨損。

4 結語

CFRP試片通過采用滲氮工藝和滲氮后氧化工藝改性，在摩擦初始階段，表面改性層比較致密，耐磨性好，摩擦系數較低，試樣處于微磨損階段。在磨損的中期，試樣表面化合物層被磨去，磨損硬度較低的過渡層，摩擦系數急劇變化迅速增大，經過滲氮后氧化處理的試片的過渡層的硬度梯度高于只經過滲氮處理的試片。最后摩擦到達基體部位，摩擦系數進入了相對穩定的階段。

參考文獻

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